【摘要】：大氣氮沉降是海洋氮營養(yǎng)物質(zhì)的重要來源,能夠?qū)Ｑ笊鷳B(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。大氣沉降中的氮組分主要包括具有生物活性的無機(jī)氮,此外有機(jī)氮也是大氣沉降中的重要組分,這些有機(jī)氮是否具有生物活性取決于它的化學(xué)形態(tài)和來源,因此,認(rèn)識大氣有機(jī)氮的組成、來源和濃度水平對評價大氣氮沉降對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響具有十分重要的科學(xué)意義。中國近海是全球氮沉降的高值區(qū),但這一估計僅包括了無機(jī)氮,而我國在化肥生產(chǎn)與使用、化石燃料燃燒以及地表揚(yáng)塵等方面可能具有強(qiáng)的有機(jī)氮排放源,目前只包括無機(jī)氮的入海通量可能低估了大氣氮沉降對中國近海的貢獻(xiàn),因此在中國近海開展大氣氣溶膠中有機(jī)氮的研究是十分必要而且具有重要的科學(xué)意義。本論文以青島近岸、千里巖海島和黃海為主要研究區(qū)域,研究氣溶膠中的氮組分、尤其是水溶性有機(jī)氮的分布特征、組成和來源,以及大氣沉降對黃海氮營養(yǎng)物質(zhì)的貢獻(xiàn)及其與水華生物響應(yīng)之間的關(guān)系,獲得的主要認(rèn)識如下: 青島大氣氣溶膠中水溶性有機(jī)氮對總氮的貢獻(xiàn)為23.7±16.5%,其平均濃度為256±303 nmol·m~(-3),顯著高于世界其他地區(qū),我國具有較強(qiáng)的NOx、NH_3、揮發(fā)性有機(jī)物等有機(jī)氮前體排放源是造成氣溶膠中有機(jī)氮濃度較高的主要原因。季節(jié)變化顯示,有機(jī)氮濃度在冬、春季節(jié)較高,秋、夏季節(jié)較低。不同天氣狀況下,氣溶膠中有機(jī)氮濃度存在顯著性差異,煙霾和霧天時有機(jī)氮濃度為晴天時的2~3倍,表明氣溶膠中有機(jī)氮主要來自二次氣溶膠,有機(jī)氮與NO_3~-和NH_4~+之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系支持了這一觀點。冬季采暖期間有機(jī)氮濃度較之采暖前有統(tǒng)計意義上的升高,這一結(jié)果提供了大氣有機(jī)氮來自化石燃料燃燒的直接證據(jù)。溶解性氨基化合物對有機(jī)氮的貢獻(xiàn)為7.5±5.0%,結(jié)合態(tài)是氨基化合物的主要存在形態(tài),約為游離態(tài)的3倍。精氨酸、甲胺、丙氨酸是青島氣溶膠中最主要的氨基化合物,氣團(tuán)來源和天氣條件不同影響氨基化合物的濃度和組成。尿素氮對有機(jī)氮的貢獻(xiàn)為8.6±6.2%,與世界其他地區(qū)相比較,青島氣溶膠中尿素濃度較高,我國尿素的大量使用所帶來的局地強(qiáng)排放源是造成這一結(jié)果的主要原因。 千里巖氣溶膠中有機(jī)氮對總氮的貢獻(xiàn)為22.8±12.9%,與青島及世界其它地區(qū)的平均值相當(dāng)。有機(jī)氮的平均濃度為111±81 nmol·m~(-3),明顯高于世界其他地區(qū),但低于青島的結(jié)果。千里巖上風(fēng)向上京、津等大城市高濃度污染物的遠(yuǎn)距離輸送是造成這一結(jié)果的主要原因。千里巖氣溶膠中有機(jī)氮的季節(jié)變化趨勢與青島相同。在不同天氣狀況下,與青島相似,有機(jī)氮濃度也存在顯著性差異,但變化幅度小于青島。有機(jī)氮與NO_3~-、NH_4~+、K~+、Cl-和Ca~(2+)之間存在正相關(guān)關(guān)系,表明千里巖大氣有機(jī)氮主要來自人為污染及地表揚(yáng)塵的貢獻(xiàn)。溶解性氨基化合物對有機(jī)氮的貢獻(xiàn)為12.4±12.6%,Arg和MA是最主要的氨基化合物,MA與NH_4~+、NO_3~-和SO42-之間的相關(guān)關(guān)系表明其主要來自人為源的貢獻(xiàn)。千里巖氣溶膠中尿素濃度高于世界其他地區(qū)未受污染大氣中的結(jié)果,但低于青島。季節(jié)變化趨勢為春、冬季較高、夏、秋季較低,與青島的一致。尿素氮對有機(jī)氮的貢獻(xiàn)為5.3±3.8%,千里巖氣溶膠中的有機(jī)氮組分,除了尿素和氨基化合物外尚有約80%未能被認(rèn)識。 在南海,氣溶膠中有機(jī)氮對總氮的貢獻(xiàn)約為30%,在黃海和青島這一比例約為20%。有機(jī)氮濃度在青島氣溶膠中最高,黃海次之,南海最低。在中國近海,超過70%的有機(jī)氮出現(xiàn)在2.1μm細(xì)粒子上,約10%出現(xiàn)在7.0-11.0μm的粗粒子上,表明了部分有機(jī)氮可能來自海鹽氣溶膠。沙塵期間,氣溶膠中有機(jī)氮的濃度顯著升高,但是有機(jī)氮對總氮的貢獻(xiàn)降低。在沙塵氣溶膠中,有機(jī)氮在2.1μm粗粒子上的貢獻(xiàn)升高約20%,表明有機(jī)氮可能包含在大的沙塵粒子中和/或吸附在粗的礦物氣溶膠表面。因子分析結(jié)果表明有機(jī)氮主要來自人為污染源,海洋源和地表揚(yáng)塵的貢獻(xiàn)相對較小。在中國近海,氣溶膠中尿素對有機(jī)氮的貢獻(xiàn)約為8%。在非沙塵氣溶膠中,50%左右的尿素出現(xiàn)在細(xì)粒子上,而在沙塵氣溶膠中,這一比例下降為30%。游離氨基酸是有機(jī)氮中的少量組分,對有機(jī)氮的貢獻(xiàn)僅為1%左右。PMF分析表明黃海氣溶膠主要有四個源:海洋源、地表揚(yáng)塵,人為污染和機(jī)動車排放。對有機(jī)氮的貢獻(xiàn)分別為18.0%、25.3%、41.7%、15.0%。估計了2009年2~4月黃海大氣總氮的沉降通量,其中人為污染源貢獻(xiàn)了66%,海洋源和地表揚(yáng)塵分別貢獻(xiàn)了10%左右,機(jī)動車排放貢獻(xiàn)了15%。 2007年春季在黃海調(diào)查期間,調(diào)查海域受到了沙塵暴的影響,沙塵過境后觀測到水華的發(fā)生。研究了沙塵和非沙塵期間氣溶膠中營養(yǎng)鹽的濃度、溶解性、粒徑分布和沉降通量,結(jié)果表明,總懸浮顆粒物(TSP)中總磷、總鐵和總無機(jī)氮(NH_4~+, NO2-和NO_3~-)的濃度分別為0.01~1.05μg·m~(-3),1.0~121.8μg·m~(-3)和1.21~22.28μg·m~(-3),最高值均出現(xiàn)在沙塵發(fā)生期間采集的氣溶膠樣品中。平均而言,鐵在沙塵和非沙塵氣溶膠中的溶解度分別為1.65%和8.46%。顆粒物、NO_3~-和NH_4~+的粒徑分布顯示,沙塵期間它們在粗粒子上的貢獻(xiàn)較之非沙塵期間分別升高了50%、20%和20%。在沙塵發(fā)生期間(3月31日至4月1日),溶解性鐵、溶解性磷和總無機(jī)氮的沉降通量分別為非沙塵時的15倍、13倍和5倍左右。沙塵發(fā)生時伴隨的降雨對沙塵粒子有明顯的清除作用,通過沙塵期間表層海水中鋁的增量推算總沉降通量,結(jié)果顯示,在這次沙塵事件中,溶解性鐵、溶解性磷和無機(jī)氮的總沉降通量分別42.5±10.9 mg·m-2,10.3±2.6 mg·m-2和77.2±19.8 g·m-2,其中濕沉降在總沉降中占主導(dǎo)。沙塵期間,大氣氮沉降是黃海中部表層營養(yǎng)鹽的主要來源,約為海洋向上輸送通量的6倍,磷的大氣輸入與海洋的輸入相當(dāng)。比較營養(yǎng)鹽的大氣輸入和浮游植物的需求,發(fā)現(xiàn)沙塵沉降帶來的氮幾乎可以滿足水華發(fā)生時生物生長的需要,沙塵帶來的Fe則遠(yuǎn)超過水華生物生長的需要量。格蘭杰因果關(guān)系檢驗結(jié)果顯示沙塵沉降帶來的氮、磷和鐵是沙塵發(fā)生3~5天后水華生物響應(yīng)的格蘭杰原因,因此,在這次事件中,沙塵沉降與水華發(fā)生存在因果關(guān)系,沙塵帶來的營養(yǎng)鹽的加富效應(yīng)是水華發(fā)生的關(guān)鍵因子。
【圖文】：

41圖 3-2 樣品采集期間氣團(tuán)的 72 h 后向軌跡A 有機(jī)氮在大氣中和顆粒物中的濃度均最大（4 月 14 日）；B 有機(jī)氮在大氣中和顆粒物中濃度均最小（8 月 24 日）；C 有機(jī)氮在顆粒物中濃度較大，在大氣中的濃度相對較小（3月 18 日）；D 有機(jī)氮在顆粒物中濃度較小，在大氣中的濃度相對較大（5 月 28 日）（http://www.arl.noaa.gov/ready/traj4a.html.).3.2 氣溶膠中有機(jī)氮濃度的季節(jié)變化及其對總氮的貢獻(xiàn)盡管青島大氣氣溶膠中有機(jī)氮的濃度變化可達(dá) 2~3 個數(shù)量級，數(shù)據(jù)的離散大（圖 3-1），但仍然可以看出其具有一定的季節(jié)變化趨勢，總體而言，冬、春節(jié)氣溶膠中有機(jī)氮的濃度較高，夏、秋季節(jié)較低。這一季節(jié)變化趨勢與 Zhang 等（2002）報道的北加利福尼亞 PM2.5中有機(jī)氮濃度的季節(jié)變化趨于一致。007~2008 年采樣期間，青島氣溶膠中有機(jī)氮的濃度在夏、秋、冬、春季節(jié)分別 80 nmol·m-3、96 nmol·m-3、263 nmol·m-3和 487 nmol·m-3。月際變化顯示（圖

圖 3-23 樣品采集期間氣團(tuán)的 72h 后向軌跡A 2007 年 8 月 18 日；B 2008 年 4 月 10 日（http://www.arl.noaa.gov/ready/traj4a.html.)青島氣溶膠中尿素氮濃度的季節(jié)變化趨勢明顯，春季最高、冬季次之、夏、季最低（圖 3-23），其平均濃度分別為：春季 29.4 nmol·m-3、冬季 12.5 nmol·m-3、季 6.7 nmol·m-3、夏季 5.3 nmol·m-3。尿素氮的這種季節(jié)變化特征可能與其來源關(guān)。大氣中尿素氮可來自農(nóng)業(yè)施肥尿素氮的揮發(fā)（Timperley et al., 1985）、從地到消費(fèi)地運(yùn)輸途中的尿素?fù)p失、陸生和海洋哺乳動物新陳代謝最終氮產(chǎn)物的泄（Antia et al., 1991）、蛋白類物質(zhì)和其他有機(jī)氮化合物的降解產(chǎn)物（Harrisonal., 1985），另外尿素還可隨土壤顆粒和海鹽氣溶膠進(jìn)入大氣 (Cornell et al.,98)。春季是農(nóng)作物生長的季節(jié)，農(nóng)業(yè)肥料的需求也進(jìn)入旺季，較高的源強(qiáng)造春季氣溶膠中尿素氮的濃度在四季中最高。冬季尿素氮的濃度較高，可能是因青島受冬季季風(fēng)控制，，北風(fēng)和西北風(fēng)帶來了大量的風(fēng)生土壤塵，其攜帶的尿素得大氣中尿素氮的濃度也較高。夏季，青島因受夏季季風(fēng)的影響，盛行的南風(fēng)、
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：X513

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2635097